淺析單聚合物復(fù)合材料特點(diǎn)與制備工藝

李孟杰 詹天榮

摘要：單聚合物復(fù)合材料（single polymer composite，SPC）的基體和增強(qiáng)體來自同種類型的材料，具有界面粘結(jié)程度好、易回收強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。本文對單聚合物復(fù)合材料特點(diǎn)和制備工藝進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：單聚合物;復(fù)合材料;制備工藝

前言

傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體來自不同的聚合物，異種聚合物難以形成很好的粘結(jié)，從而導(dǎo)致了基體和增強(qiáng)體在界面的粘結(jié)性較差，影響了復(fù)合材料的性能。另外，傳統(tǒng)的復(fù)合材料中不同種類的聚合物和基體導(dǎo)致材料的回收再利用困難，回收再利用性差，不利于環(huán)境的保護(hù)和資源的節(jié)約。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，為了解決上述傳統(tǒng)材料應(yīng)用的制約，采用同種類型的基體和增強(qiáng)體制備的自增強(qiáng)復(fù)合材料成為了研究重點(diǎn)。因此，單聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用價值很高，受到廣泛的關(guān)注。

1單聚合物復(fù)合材料的特點(diǎn)

單聚合物復(fù)合材料是指基體和增強(qiáng)體來自同一種聚合物的材料，也可以稱其為自增強(qiáng)復(fù)合材料。傳統(tǒng)的復(fù)合材料增強(qiáng)體大多是纖維，如碳纖維、玻璃纖維和天然纖維等，即基體和增強(qiáng)體來自異種材料。相比而言，由于單聚合物復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體來自同一種材料，以聚合物本身或同種聚合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)纖維作為增強(qiáng)體，具有更好的界面粘結(jié)性和兩相相容性，無論在性能方面，還是在回收再利用方面，都有更優(yōu)的表現(xiàn)。由于其優(yōu)良的性能，在航空，醫(yī)療，汽車，電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。單聚合物復(fù)合材料根據(jù)基體和增強(qiáng)體在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的不同，分成兩大類： 多組分單聚合物復(fù)合材料和單一組分單聚合物復(fù)合材料。

2 單聚合物復(fù)合材料制備工藝

單聚合物復(fù)合材料的制備原理是在對其基體和增強(qiáng)體進(jìn)行加熱時，由于基體和增強(qiáng)體兩者的熔點(diǎn)有差別，控制溫度高于基體熔點(diǎn)使基體熔融，低于增強(qiáng)體熔點(diǎn)保持增強(qiáng)體不發(fā)生熔融。由于單聚合物復(fù)合材料的加工需要考慮溫度窗口，所以如何擴(kuò)大基體和增強(qiáng)體的熔點(diǎn)差以便于生產(chǎn)制造成為了制備過程中的重要因素。

目前，制備單聚合物復(fù)合材料常用的方法有熱壓纖維法、溶液浸漬法、薄膜堆疊法、兩步注塑成型法等。

2.1熱壓纖維法

2000 年，Hine[1]等直接熱壓超高分子量聚乙烯纖維布制備出聚乙烯的單聚合物復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，材料的剝離度隨著熱壓溫度的升高而增大。在該研究中，最佳熱壓溫度為 138°C 時，此時有大約 10%原始纖維被熔融，形態(tài)學(xué)研究表明，熔融材料已外延重結(jié)晶到原始纖維主鏈上，形成了講纖維束粘結(jié)成連續(xù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，纖維與基體之間的粘結(jié)性較好。熱壓纖維法雖然操作比較簡便，但選擇適宜的熱壓溫度是該法制備單聚合物復(fù)合材料的難點(diǎn)。由于基體和增強(qiáng)體是同種聚合物，所以采用該方法制備單聚合物復(fù)合材料加工溫窗較窄。當(dāng)熱壓溫度設(shè)定太低，基體相熔融不夠充分，導(dǎo)致其不能充滿復(fù)合物的纖維之間，無法使材料的界面性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)熱壓溫度設(shè)定太高，增強(qiáng)體纖維被熔融，纖維含量減少或消失，導(dǎo)致材料的性能沒有明顯的改變。

2.2薄膜堆疊法

薄膜堆疊法是在一定的壓力下，依據(jù)增強(qiáng)體和基體的熔點(diǎn)有差別，將溫度設(shè)定在稍高于基體熔點(diǎn)并低于增強(qiáng)體纖維熔點(diǎn)的溫度范圍，模壓成型制備單聚合物復(fù)合材料。2014 年，Wang[2]等根據(jù) PEN 基體具有過冷性質(zhì)，成功的擴(kuò)大了加工的溫度窗口，在 220～260°C 溫度范圍內(nèi)，基體采用 PEN 薄膜，增強(qiáng)體采用 PEN 的纖維編織材料，利用薄膜層壓法制備出PEN 單聚合物復(fù)合材料，過程示意圖見圖1。實(shí)驗(yàn)過程分別研究了熱壓壓力，熱壓時間和熱壓溫度對材料性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)條件為10min，240°C 和6MPa時，材料的力學(xué)性能達(dá)到最大，為 224MPa。

2.3注塑成型法

注塑成型法是既包含注射也包含模塑兩個過程的成型方法，指在一定的溫度下，將原料用螺桿等攪拌加熱成熔融態(tài)，再經(jīng)過壓縮并加壓射入模腔當(dāng)中，經(jīng)過冷卻后，脫離模腔得到成型材料的一種方法。該法普遍用于制備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的單聚合物復(fù)合材料。

2013 年，Kmetty 等[3]通過注塑成型制備了聚丙烯單聚合物復(fù)合材料。在注塑之前，用三步法即纖維纏繞、壓塑和造粒制備出預(yù)浸漬的顆粒，然后將預(yù)浸漬的顆粒注塑成型制備聚丙烯單聚合物復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著纖維含量的增加，屈服應(yīng)力和穿孔能量明顯增加。

2.4其他方法

除上述介紹的三種方法以外，還可以應(yīng)用溶液和粉末浸漬法、共擠出法， 燒結(jié)法，液體復(fù)合成型法等。無論哪一種方法，單聚合物復(fù)合材料都是基于基體和增強(qiáng)體的熔點(diǎn)差進(jìn)行制備的。所以在選擇制備單聚合物復(fù)合材料的方法時，關(guān)鍵是要考慮加工的溫度窗口是否可操作，還要考慮工藝復(fù)雜程度，是否適合大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，成本多少及是否符合環(huán)境友好的原則。綜合上述因素，選擇最合適的制備工藝方法。

3結(jié)語

單聚合物復(fù)合材料由于其良好的界面粘結(jié)性、兩相的相容性和容易回收等特點(diǎn)，自從被人們發(fā)現(xiàn)以來就成為了研究熱點(diǎn)，并被應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。本文對單聚合物復(fù)合材料的特點(diǎn)和制備工藝進(jìn)行了分析，并闡述了制備單聚合物復(fù)合材料常用的方法有熱壓纖維法、溶液浸漬法、薄膜堆疊法、兩步注塑成型法等。

參考文獻(xiàn)

[1] Hine P J， Ward I M， Olley R H， et al. The hot coMPaction of high modulus melt-spun polyethylene fibres[J]. Journal of Materials Science， 1993， 28（2）： 316-324.

[2] Wang J， Chen J， Dai P. Polyethylene naphthalate single-polymer-composites produced by the undercooling melt film stacking method[J]. Composites Science & Technology， 2014， 91（91）： 50-54.

[3] Kmetty A， Tabi T， Kovacs J G， et al. Development and characterisation of injection moulded， all polypropylene composite[J]. Polymer letters， 2013， 7（2）： 134-145.

作者簡介：

李孟杰，男，漢，籍貫：山東省聊城市東昌府區(qū)，在讀在職研究生，青島科技大學(xué)

研究方向：材料工程